「酸化」という用語は、電気化学反応における原子、イオン、または分子の表面からの電子の損失を指し、次のように定義されます。失われました。これらの反応では、状況に応じて酸化数が変化します。バランスの取れた半反応は、これの実例として役立ちます。この反応は非自発的です。つまり、自然に電気を生成する自発的な反応とは対照的に、反応を起こすには電気が必要です。
このセクションでは、塩化ナトリウムの溶融塩である NaCl を使用した実験の例を紹介します。 SALT は融解するとイオンに解離し、Na+ (陽イオン) と Cl- (陰イオン) を生成します。
その結果起こる反応は:Na+ + e- —> Na
アノードは、カソードに電子を提供するもう一方の電極です。この場合、酸化に疑いの余地はなく、半等式は次のとおりです。 反応 2Cl -> Cl2 + 2e-
実験で水溶液を使用すると、他のプロセスが発生していることが明らかになります。このための最も簡単な酸化還元反応は次のとおりです:
カソードでは、反応は 2H2O + 2e- -> H2 + 2OH- (水は還元されます)。
アノードでは、2H2O -> 4H+ + O2 + 4e- が生成されます (水が酸化されます)。
電気化学セル
電気化学セルは、内部で発生する化学反応から電気エネルギーを生成するか、供給された電気エネルギーを使用して内部で発生する化学反応を促進するデバイスです。基本的に、これらのデバイスは、化学エネルギーを電気エネルギーに、またはその逆に変換する機能を備えています。たとえば、テレビのリモコンや時計などの多数の電気機器に電力を供給するために使用される通常の 1.5 ボルトのセルは、電気化学セルの一般的な例です。
ガルバニ電池とボルタ電池は、セル内で発生する化学的事象の結果として電流を生成できるセルを表すために使用される 2 つの用語です。一方、電解セルは、電流が流れるとセル内で化学反応を引き起こすセルです。
電気化学セルの種類
ボルタ電池
ボルタ電池は、2 つの半電池で自発的な酸化還元反応によって放出されるエネルギーから電流を生成するデバイスです。電気化学セルは、それぞれアノードとカソードと呼ばれる 2 つの導電性電極で構成されています。酸化が起こる電極は陽極です。還元はカソード電極で起こる。電極は、他の材料の中でも、金属、半導体、グラファイト、さらには導電性ポリマーを含む、適切に導電性の任意の材料から構築することができます。これらの電極の間の空間にあるのは電解質であり、自由に流れるイオンが含まれています。
ボルタ電池の製造中、2 つの異なる金属電極が使用され、それぞれが電解質溶液に浸されます。アノードは酸化を受け、カソードは還元を受けます。酸化の過程で、陽極金属は酸化状態 0 (固体) から正の酸化状態に遷移し、最終的にはイオンになります。溶液中の金属イオンが陰極と接触すると、陰極から 1 つまたは複数の電子を受け取り、イオンの酸化状態がゼロになります。これにより、カソード上に堆積する固体金属が形成されます。アノードの金属を離れ、カソードの表面のイオンへの接続を介して流れる電子の通過を可能にするために、2 つの電極間に電気を確立する必要があります。電気接続 この電子の流れを利用して、モーターを回したり、ランプを点灯させたりするなどの作業に使用できる電流を生成することができます。
電解セル
電気分解は、電解槽で起こる化学反応を誘発する方法です。これを行うために電気エネルギーが使用されます。溶融または完全に溶解したイオン性物質に電流を流すと、電極で化学反応が起こり、物質が分離されます。電気分解は、材料を互いに分離するために使用される技術です。
電気分解は、場合によっては、非自発的なガルバニ電池の動作と考えることができます。この反応は、元素が電子を放棄する度合い (酸化) と、元素が電子を受け入れる (還元) ことがエネルギー的にどれほど有益であるかによって、自発的である場合とそうでない場合があります。自発的な反応に対するエネルギー障壁を克服するために必要なエネルギーを外部から供給することにより、特定の条件下で目的の反応が「許可」され、成功の可能性が高まります。
以下は、電気分解に必要な主要コンポーネントです:
以下は、電気分解に必要な主要コンポーネントです:
電解質は、電流を運ぶことができる自由イオンを含む材料です。イオンが固体の塩のように移動できない場合、電気分解はできません。
直流 (DC) 供給:電解質に直流を供給することによって、電解質内のイオンを生成または放出するために必要なエネルギーを提供します。電子は、外部回路における電流の伝達を担っています。
電極は 2 つの部分で構成されます。エネルギーを供給する電気回路と電解質の間の物理的インターフェイスとして機能する導電体。
ボルタ電池反応
ボルタ電池は、レドックス反応として知られる酸化と還元の同時反応を前提に動作します。この酸化還元反応は、相互に排他的な 2 つの半反応で構成されます。典型的なボルタ電池のレドックス対は銅と亜鉛であり、半電池反応では次のように表されます。
亜鉛電極 (アノード):Zn(s) → Zn2+(aq) + 2 e–
銅を電極 (カソード) として使用すると、式は Cu2+(aq) + 2 e– → Cu (s)
個別のビーカーを使用して、個々の細胞を構築します。金属電極は電解質溶液に浸され、電流経路を提供します。塩橋は各半電池を他の半電池に接続し、2 つの電池間でイオン種を自由に輸送できるようにします。回路が完成すると、電流が流れ、電池は電気エネルギーを「生成」します。
銅はすぐに亜鉛を酸化しました。陽極は亜鉛、陰極は銅です。溶液中の陰イオンは、対応する金属の硫酸塩です。導電性デバイスを使用して電極を接続すると、電気化学反応が次のように発生します:Zn + Cu2+ Zn2+ + Cu
亜鉛電極の酸化によって生成された各電子で、2 つの電子がワイヤを介して銅陰極 (Zn2+ + 2e-)、(Cu2++ 2e-) に転送されます。電子が溶液中の Cu2+ に位置すると Cu が形成され、その結果、銅が銅金属に還元されます。反応中は亜鉛電極を使用する必要があり、金属はサイズが縮小しますが、銅電極は生成される Cu の堆積によりサイズが拡大します。電荷がセル内を流れ続けるためには、塩橋を持つことが不可欠です。塩橋がないと、陽極で生成された電子が陰極に蓄積し、反応が停止するため、塩橋が必要です。
太陽電池の一般的な用途は、電力源です。それらは、その性質上、直流を生成するように設計されています。バッテリーは、直列に接続されたボルタ電池の集まりで構成されています。バッテリーに関しては、アノード (鉛でできている) とカソード (二酸化鉛でできている) が最も重要なコンポーネントです。
結論
電気化学反応では、固体電極と電解質などの材料の間で、電気の導体を介して電子が移動します。この流れにより、電流が電極を横切って通過し、反応が状況に応じて熱を解放または吸収できるようになります。各電極で発生する反応を支配する規則があり、この規則はここで見つけることができます。カソードで活性金属カチオンが使用される場合は常に、カソードで水が還元されます。陰イオンが多原子イオンである場合、水は陽極で酸化され、結果として水が還元されます。硫酸塩と硝酸塩は陰イオンの 2 つの例です。
